【正文】 .....................................................................41 參考文獻 .............................................................................................................42 致謝 .....................................................................................................................44 附錄 1 文獻綜述 ................................................................................................45 附錄 2 開題報告 ................................................................................................51 附錄 3 中期報告 ................................................................................................58 附錄 4 英文文獻翻 譯 ........................................................................................70 附錄 5 英文文獻原文 ........................................................................................72 章 1章 緒論 1 第 1章 緒論 直流電氣傳動和交流電氣傳動在 19世紀(jì)先后誕生。隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動領(lǐng)域的滲透，現(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)萬千瓦的特大功率高速傳動系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動，從單機傳動到多機協(xié) 調(diào)運轉(zhuǎn)，幾乎都可采用交流調(diào)速傳動。交流調(diào)速傳動的客觀發(fā)展趨勢己表明，它在控制性能方面完全可以和直流傳動相媲美，并已在大多數(shù)場合取代了直流傳動系統(tǒng) [1]。 課題研究的背景及意義 二十世紀(jì)中期以來，全球范圍內(nèi)的能源消費量大幅增長，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界第二大能源消費國，能源消費總量約占世界能源消費總量的 11％。與此同時，經(jīng)濟快速發(fā)展與能源約束的矛盾也日益突出，能源價格一路攀升，許多行業(yè)都受到了不同程度的影響。而且，我國能源利用的質(zhì)量很低，能源浪費情況嚴(yán)重。一次能源轉(zhuǎn)換電能的比例和電力占終端能源消費的比例過低，作為能源消耗大國之一，在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。 在用電系統(tǒng)中，電動機為主要的動力設(shè)備而廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、科技及社會生活等各個方面。我國電機的總裝機容量已達 4億千瓦，年耗電量達 6000億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的 80％，成為用電量最多的電氣設(shè)備。我國各類應(yīng)用電機中交流電動機擁有量最多，提供給工業(yè)生產(chǎn)的電量多半是通過交流電動機加以利用的， 80％以上為 ~220KW以下的中小型感應(yīng)電動機，可見交流電動機應(yīng)用的廣泛性及其在國民經(jīng)濟中的重要地位 [2]。但是在如此龐大的經(jīng)濟規(guī)模 中，未經(jīng)變頻調(diào)速控制的交流電機拖動系統(tǒng)如此之多，這樣所造成的能源浪費就大得驚人，由此可見，提高能源的有效利用率在我國已經(jīng)顯得非常迫切。因此，在電機系統(tǒng)節(jié)能方面將有很大的發(fā)展空間，所以感應(yīng)電機的變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國將有非常巨大的市場需求。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 電動機作為把電能轉(zhuǎn)換為機械能的主要設(shè)備，在實際應(yīng)用中，一是要使電動機具有較高的機電能量轉(zhuǎn)換效率；二是根據(jù)生產(chǎn)機械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動機的旋轉(zhuǎn)速度。電動機的調(diào)速性能對提高產(chǎn)品的質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。所以需要高性能的交流調(diào)速理論和技術(shù)才能滿足當(dāng)今 的調(diào)速要求，但是感應(yīng)電機是一個多變量、強耦合、非線性時變參數(shù)系統(tǒng)，很難通過外加信號準(zhǔn)確控制電磁轉(zhuǎn)矩，矢量控制應(yīng)運而生，矢量控制以磁通這一旋轉(zhuǎn)的空間矢量為參考坐標(biāo)，利用從靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可以把定子電流中的勵磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量變成標(biāo)量獨立開來，進行分別控制 [4]。自 20世紀(jì) 70年代至今，矢量控制理論及應(yīng)用技術(shù)經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展和實踐，形成了當(dāng)今在工業(yè)生產(chǎn)中得到普遍應(yīng)用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 矢量控制發(fā)展現(xiàn)狀 歐洲是矢量控制技術(shù)的誕生地，其研究水平 一直走在世界的前列。在 80年代中期到 90年代初期的歐洲電力電子會議 (EPE)論文集中，涉及到矢量控制的論文占有很大比例，在這當(dāng)中，德國 SIEMENS公司、 Aachen技術(shù)大學(xué)電力電子和電氣傳動研究院和德國 Braunchweig技術(shù)大學(xué) 、 ，在應(yīng)用微處理器的矢量控制研究中取得了許多重大進展，促進了矢量控制的實用化。 矢量控制核心理論的提出與以 DSP為代表的高性能處理器的通用化，再加上電力電子器件取得的進步，并 輔以現(xiàn)代控制理論，這幾大因素的結(jié)合給電氣傳動領(lǐng)域帶來了深刻的變革。數(shù)字信號處理器 (DSP)的高速運算能力使矢量控制尤其是 1983年 (Sensorless Vector Control， SVC)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)得到簡化，這就為性能更優(yōu)的 SVC方案的實施提供了物質(zhì)保證。而 IGBT的進一步發(fā)展也為 SVC的應(yīng)用提供了更好的舞臺， IGBT除了提高功率器件的開關(guān)速度， IGBT還允許迅速地調(diào)整電機的工作電壓。這使帶寬相當(dāng)高的無速度矢量控制成為可行，并能快速、高精度章 1章 緒論 3 地控制轉(zhuǎn)速 (velocityprofiling)與定位。 SVC的實現(xiàn)吸引了產(chǎn)業(yè)界人士的廣泛關(guān)注， ToshibaGE、 Yaskawa等公司于 1987年分別發(fā)表了研究成果， 95年后，Siemens、 Yaskawa、 ToshibaGE、 Rockwell、 Mistubishi、 Fuji等知名公司紛紛推出自己的 SVC控制產(chǎn)品，控制特性也在不斷提高，無速度傳感器矢量控制向高性能通用變頻器邁出了一大步。 進入 20世紀(jì)以來，矢量控制的研究仍在如火如荼地進行，德國、日本和美國依然走在世界的前列，但這三個國家各有千秋。日本在研究無速度傳感器方面 較為先進，主要應(yīng)用于通用變頻器上：美國的研究人員在電機參數(shù)識別方面研究比較深入，并且將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制等一些最新的控制技術(shù)應(yīng)用到這方面，在 IEEE的會議和期刊上發(fā)表了許多文章。而德國在將矢量控制技術(shù)應(yīng)用于大功率系統(tǒng)方面的實力很強， SIEMENS公司已開始將矢量控制技術(shù)應(yīng)用于交流傳動電力機車等兆瓦級功率場合。隨著具有強大處理能力的數(shù)字信號處理器的推出，實現(xiàn)該控制方式所需要的高魯棒性、自適應(yīng)的參數(shù)估計以及非線性狀態(tài)觀測成為可能，新的無速度傳感控制方案不斷推出 Siemens、 Yaskawa、 Toshiba GE、 Rockwell、 Mistubishi、 Fuji等知名公司紛紛推出自己的 SVC控制產(chǎn)品 (本文所指 SVC均針對感應(yīng)電機 )，控制特性也在不斷提高。 SVC目前已在印刷、印染、紡機、鋼鐵生產(chǎn)線、起重、電動汽車等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，在高性能交流驅(qū)動中占有愈來愈重要的地位，Mitsubishi公司的高級磁通矢量控制代表了最新的無速度傳感器控制技術(shù)，西門子公司的 SE6300、 Mitsubishi公司的 A7 FUJI公司的 VG7S、安川公司的 G艾默生公司 EV6000、科比公司 COMBIVERTF5等均為無速度傳感器矢量控制變頻的典范，在世界上處于領(lǐng)先地位。 國內(nèi)森蘭、匯川、英威騰、普傳等公司也相繼推出了高性能矢量變頻器，目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動異步電動機進行正常運轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識，并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。上海艾帕電力電子公司更是率先開發(fā)出無速度傳感器控制的高性能級聯(lián)式高壓變頻器。作為國內(nèi)最大的變頻器制造商，森蘭從做 V/f控制的變頻器開始，逐燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 步完善 和提高變頻技術(shù)，通過多年的技術(shù)實踐，積累和對國外先進技術(shù)的消化吸收，已經(jīng)能夠開發(fā)出具有先進水平轉(zhuǎn)子磁鏈定向，磁通觀測采用自校正算法的矢量控制變頻器，實現(xiàn)磁場和力矩的完全解耦，做到 1HZ200%額定轉(zhuǎn)矩，即使在零頻也有 100%轉(zhuǎn)矩。如 SB80系列變頻器。由此可見，盡管國內(nèi)與國外變頻技術(shù)上相比還有差距，但已經(jīng)縮小了 [4]。 矢量控制發(fā)展趨勢 現(xiàn)在，有無采用無速度傳感器技術(shù)已經(jīng)成為高性能通用變頻器和一般變頻器的分水嶺。交流驅(qū)動器開發(fā)的一個重點是如何將驅(qū)動器與電機有機地結(jié)合在一起，開發(fā)出更低成本、高可靠性、高性 能 “驅(qū)動模塊 ”。基于這一思路，為進一步減小成本、提高可靠性，電機相電流傳感器進行了深入的研究，開發(fā)人員在如何省去軸側(cè)傳感器以及特別是高性能無速度傳感器矢量控制(svc)的實現(xiàn)吸引了各國研發(fā)人員的廣泛關(guān)注，并已成為未來驅(qū)動控制研究的熱點 [3]。 在未來無速度傳感器的矢量控制的動靜態(tài)特性進一步提高，在逆變器、電機的模型、電機的磁路飽和、繞組肌膚效應(yīng)、逆變器的非線性和參數(shù)的變化方面還要進一步的研究，在更精確的電機模型基礎(chǔ)上低速轉(zhuǎn)矩脈動更小，穩(wěn)定精度進一步提高，對負(fù)載的擾動響應(yīng)更快，對電機參數(shù)變化的穩(wěn)定性進一步加強 。未來的發(fā)展還體現(xiàn)在高速處理器和外設(shè)上。此外，無速度傳感器矢量控制方式下的多機運行以及在高功率低速運行的應(yīng)用也將成為未來的發(fā)展方向。 現(xiàn)代一些技術(shù)的發(fā)展，推動著交流調(diào)速技術(shù)的快速前進。電力電子技術(shù)為交流調(diào)速奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)；微處理器和數(shù)字信號處 理器技術(shù)為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的成功應(yīng)用提供了重要的技術(shù)手段和保證； PWM控制技術(shù)具有輸出接近正弦波和輸入功率因數(shù)高的特點，對于交流調(diào)速是極為難得，它有利于簡化結(jié)構(gòu)，改善性能和提高效率，該技術(shù)是電機驅(qū)動控制的核心技術(shù)之一。 交流調(diào)速系統(tǒng)的主要控制策略 目前為止， 關(guān)于交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略大體可分為基于穩(wěn)態(tài)模型的控章 1章 緒論 5 制策略和基于動態(tài)模型的控制策略。 基于穩(wěn)態(tài)模型的控制策略 轉(zhuǎn)速開環(huán)的變壓變頻控制 變壓變頻控制以電機的穩(wěn)態(tài)方程為推導(dǎo)基礎(chǔ)，以控制電機的氣隙磁通幅值恒定為目標(biāo)，具有控制簡單、容易實現(xiàn)，靜態(tài)性能指標(biāo)在大多數(shù)場合都能滿足需求等特點，目前市場上通用變頻器大多采用這種方式。但開環(huán)的變壓變頻控制并不能真正實現(xiàn)動態(tài)過程中的轉(zhuǎn)矩控制 [2][3][13]。 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是從異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)的，因此保持磁通恒定也只在 穩(wěn)態(tài)情況下成立。一般說來，它只適用于轉(zhuǎn)速變化緩慢的場合，而在要求電動機轉(zhuǎn)速做出快速響應(yīng)的動態(tài)過程中，電動機除了穩(wěn)態(tài)電流以外，還會出現(xiàn)相當(dāng)大的瞬態(tài)電流，由于它的影響，電動機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)運行時的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩有很大的不同。由于這些方法只依據(jù)穩(wěn)態(tài)模型，只能按電動機穩(wěn)態(tài)運行規(guī)律進行控制，不能控制任意兩個磁場的大小和相對位置，故轉(zhuǎn)矩控制性能差。交流電動機的磁場都在空間以同步速度旋轉(zhuǎn)，彼此相對靜止，要控制轉(zhuǎn)矩，必須控制兩磁場的大小和相對位置。要改善轉(zhuǎn)矩控制性能，必須對定子電壓或電流實施矢量控制，既控制大小，又控制方向。因 此如何在動態(tài)過程中控制電動機的轉(zhuǎn)矩，是影響系統(tǒng)動態(tài)性能的關(guān)鍵。 基于動態(tài)模型的控制策略 要獲得高動態(tài)性能，必須依據(jù)電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。交流電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是非線性多變量的，其輸入變量是定子電壓和頻率，輸出變量是轉(zhuǎn)速和磁鏈。因此必須對模型進行解耦。 矢量控制策略 1971年，德國西門子公司的 F． Blaschke提出異步電機的矢量控制技術(shù)，使交流調(diào)速控制理論獲得了第一次質(zhì)的飛躍。矢量控制技術(shù)以經(jīng)過 3/2坐標(biāo)變換的電機的動態(tài)模型為基礎(chǔ)，利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換技術(shù)實現(xiàn)了定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解 耦，使得交流電機在理論上能像直流電機一樣分別對勵燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 磁分量與轉(zhuǎn)矩分量進行獨立控制，獲得像直流電機一樣良好的動態(tài)性能。矢量控制技術(shù)使高性能交流調(diào)速得以實現(xiàn)，使其獲得了巨大的發(fā)展空間。但是，矢量控制需要確定轉(zhuǎn)子磁鏈的具體位置，同時為了使電機工作在合理的工作狀態(tài)下，磁鏈幅值也必須加以控制。而磁鏈一般不直接檢測，因此在矢量控制系統(tǒng)中用電機參數(shù)計算出磁鏈的位置角或利用磁鏈觀測器觀測磁鏈。這些方法都與電機參數(shù)有關(guān)，而在電機運行過程中，電機參數(shù)會隨著環(huán)境溫度和勵磁條件的變化，在一定范圍變動。這將嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。為了解決這類問題，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，如模型參考自適應(yīng)控制、卡爾曼濾波等，對電機參數(shù) (定、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)動慣量等 )進行動態(tài)辨識。控制器利用初始化的參數(shù)進行在線校正并不困難，真正的難點是在系統(tǒng)運行時如何利用電機參數(shù)對控制器參數(shù)進行正確跟蹤。很多學(xué)者提出了各種各樣的矢量控制方案，例如，有人提出在低速采用間接矢量控